Алюминиевый станок с ЧПУ:преимущества и возможные альтернативы

Для проектов обработки с ЧПУ алюминий является одним из наиболее популярных материалов из-за его желательных физических свойств. Он прочен, что делает его идеальным для механических деталей, а его окисленный внешний слой устойчив к коррозии от элементов. Эти преимущества сделали алюминиевые детали распространенными во всех отраслях промышленности, но особенно популярны они в автомобильной, аэрокосмической, медицинской и бытовой электронике.

Алюминий также предлагает определенные преимущества, которые упрощают и улучшают процесс обработки с ЧПУ. В отличие от многих других металлов с аналогичными свойствами материала, алюминий обладает отличной обрабатываемостью:многие его сорта могут быть эффективно обработаны режущими инструментами, легко скалываются и относительно легко поддаются формованию. Благодаря этому алюминий можно обрабатывать более чем в три раза быстрее, чем железо или сталь.

В этой статье объясняются некоторые ключевые преимущества обработки алюминия на станках с ЧПУ — причины, по которым это один из наиболее востребованных нами процессов создания прототипов и производства, — а также предлагаются альтернативы обработке алюминия.

Другие металлы и пластмассы обладают теми же преимуществами, что и алюминий, в дополнение к собственным уникальным преимуществам.

Преимущества обработки алюминия с ЧПУ

• Обрабатываемость
• Коррозионная стойкость
• Соотношение прочности и веса
• Электропроводность
• Возможность анодирования
• Вторичная переработка

Типичные алюминиевые детали с ЧПУ от 3ERP

Обрабатываемость

Одна из основных причин, по которой инженеры выбирают алюминий для своих деталей, заключается в том, что этот материал легко обрабатывается. Хотя это может показаться более выгодным для машиниста, производящего деталь, это также имеет значительные преимущества для компании, заказывающей деталь, а также для конечного пользователя, который в конечном итоге будет ее использовать.

Поскольку алюминий легко стружится и ему легко придавать форму, его можно быстро и точно резать на станках с ЧПУ. Это имеет ряд важных следствий:во-первых, сжатые сроки механообработки удешевляют процесс (поскольку от станочника требуется меньше труда и от самого станка требуется меньше времени работы); во-вторых, хорошая обрабатываемость означает меньшую деформацию детали при прохождении режущего инструмента через заготовку. Это позволяет станку соответствовать более жестким допускам (до ±0,025 мм) и обеспечивает более высокую точность и повторяемость.

Коррозионная стойкость

Различные марки алюминия сильно различаются по своей коррозионной стойкости — степени, в которой они могут противостоять окислению и химическому повреждению. К счастью, некоторые из самых популярных сплавов для станков с ЧПУ являются наиболее стойкими. 6061, например, обеспечивает превосходную коррозионную стойкость, как и другие сплавы в нижней части спектра прочности. (Прочные алюминиевые сплавы могут быть менее устойчивы к коррозии из-за присутствия легированной меди.)

Соотношение прочности и веса

Алюминий обладает желаемыми физическими свойствами, которые делают его идеальным как для механических, так и для внешних деталей. Двумя наиболее важными из них являются высокая прочность металла и его легкий вес, что делает материал подходящим для критически важных деталей, таких как те, которые требуются в аэрокосмической и автомобильной промышленности. Фурнитура для самолетов и автомобильные валы — два примера деталей, которые можно успешно обрабатывать из алюминия.

Однако разные марки алюминия служат разным целям. Благодаря благоприятному соотношению прочности к весу марки общего назначения, такие как 6061, могут использоваться для изготовления самых разных деталей, в то время как особо прочные марки, такие как 7075, могут быть предпочтительны в аэрокосмической и морской технике.

Электропроводность

Алюминиевые детали, обработанные на станке с ЧПУ, могут быть полезны для электрических компонентов из-за их электропроводности. Хотя чистый алюминий не обладает такой проводимостью, как медь, его электропроводность составляет около 37,7 миллионов сименсов на метр при комнатной температуре. Сплавы могут иметь более низкую проводимость, но алюминиевые материалы обладают значительно большей проводимостью, чем, например, нержавеющая сталь.

Материал	Электропроводность (См/м) при комнатной температуре
Медь	59,6 млн
Алюминий	37,7 млн
Цинк	16,9 млн
Железо	10 миллионов
Углеродистая сталь	7 миллионов
Титан	2,4 миллиона
Нержавеющая сталь	1,5 миллиона

Возможность анодирования

Механически обработанные алюминиевые детали особенно популярны в индустрии бытовой электроники не только из-за требований к прочности и весу, но и из-за важных эстетических соображений. Помимо того, что алюминий восприимчив к краскам и оттенкам, его можно обрабатывать анодированием — процедурой отделки поверхности, которая утолщает защитный и окисленный внешний слой детали.

Процесс анодирования, который обычно происходит после завершения механической обработки, включает пропускание электрического тока через деталь в ванне с электролитической кислотой, в результате чего получается кусок алюминия, более устойчивый к физическому воздействию и коррозии.

Важно отметить, что анодирование облегчает добавление цвета к обработанной алюминиевой детали, поскольку анодированный внешний слой очень пористый. Красители могут проникать сквозь пористые участки внешнего слоя и с меньшей вероятностью растрескиваться или отслаиваться, поскольку они встроены в прочную внешнюю часть металлической детали.

Вторичная переработка

Еще одним преимуществом алюминия является его высокая способность к вторичной переработке, что делает его предпочтительным для предприятий, стремящихся свести к минимуму свое воздействие на окружающую среду, или для тех, кто просто хочет сократить потери материалов и окупить часть своих расходов. Перерабатываемые материалы особенно важны при обработке с ЧПУ, где имеется относительно большое количество отходов в виде стружки от режущего инструмента.

Альтернативы алюминию в обработке на станках с ЧПУ

Предприятия могут искать альтернативы алюминию для обработки с ЧПУ по ряду причин. В конце концов, у металла есть несколько недостатков:его оксидное покрытие может повредить инструменты, и он, как правило, дороже, чем альтернативы, такие как сталь, отчасти из-за высоких энергозатрат на производство алюминия.

Вот некоторые потенциальные альтернативы обработке алюминия, с акцентом на их различия и сходство с популярным серебристо-серым металлом.

Металлы

Сталь и нержавеющая сталь

Лучше, чем алюминий для:

• Сила
• Термостойкость

Хуже, чем алюминий для:

• Обрабатываемость
• Вес

Стали и нержавеющие стали широко используются в обработке с ЧПУ. Из-за их высокой прочности стали, как правило, предпочтительнее для применений с высокими нагрузками и там, где требуются прочные сварные швы. Стали устойчивы к очень высоким температурам, а нержавеющие стали можно подвергать термической обработке для повышения их коррозионной стойкости.

Тем не менее, в то время как обработка стали предназначена для улучшения обрабатываемости, алюминий остается более поддающимся обработке из двух материалов. Стали также тяжелее и имеют более высокую твердость, чем алюминий, что может быть желательным или нежелательным в зависимости от области применения.

Если ключевым фактором является термостойкость, а вес — нет, сталь может стать идеальной альтернативой алюминию.

Титан

Лучше, чем алюминий для:

• Соотношение прочности и веса

Хуже, чем алюминий для:

• Стоимость

Титан можно использовать в качестве равноценной замены алюминию, поскольку его основным преимуществом является исключительное соотношение прочности и веса, что также является одним из основных преимуществ алюминия. Титан имеет такой же вес, как алюминий, но почти в два раза прочнее. Как и алюминий, он обладает высокой устойчивостью к коррозии.

Эти преимущества отражаются в более высокой цене титана. Хотя этот материал является отличным выбором для таких деталей, как компоненты самолетов и медицинские приборы, его стоимость может быть непомерно высокой.

Титан — подходящая альтернатива алюминию, когда основной задачей является легкий вес и, что немаловажно, когда производственный бюджет может быть гибким.

Магний

Лучше, чем алюминий для:

• Обрабатываемость
• Вес

Хуже, чем алюминий для:

• Безопасность обработки
• Коррозионная стойкость

Хотя это и не самый распространенный материал для механической обработки, легкий металлический магний обладает многими преимуществами обычных алюминиевых сплавов. На самом деле, магний — один из наиболее поддающихся обработке металлов, что делает процесс обработки быстрым и эффективным.

Один потенциальный недостаток для механических мастерских? Магниевая стружка легко воспламеняется и еще больше разлагается водой, поэтому машинисты должны соблюдать осторожность при очистке от мусора.

Латунь

Лучше, чем алюминий для:

• Некоторые эстетические приложения

Хуже, чем алюминий для:

• Стоимость

Металл с золотым оттенком, латунь — это хорошо поддающийся обработке металл, доступный по более высокой цене, чем алюминий. Его часто можно увидеть на таких деталях, как клапаны и форсунки, а также на конструктивных элементах, а его высокая обрабатываемость делает его подходящим для крупносерийных заказов.

Медь

Лучше, чем алюминий для:

• Электропроводность

Хуже, чем алюминий для:

• Обрабатываемость

Медь разделяет некоторые свойства материала с алюминием. Однако превосходная электропроводность меди может сделать ее предпочтительной для различных электрических применений. Хотя чистую медь трудно обрабатывать, многие медные сплавы обладают такой же обрабатываемостью, как и популярные марки алюминия.

Технические термопласты

ПОМ (делрин)

Лучше, чем алюминий для:

• Электроизоляция
• Низкое трение

Хуже, чем алюминий для:

• Сила
• Теплостойкость

Проекты обработки с ЧПУ не должны ограничиваться металлами. На самом деле, некоторые инженерные термопласты могут сравниться с алюминием по некоторым преимуществам или даже превзойти его, в зависимости от области применения.

Поскольку алюминий часто предпочитают за его превосходную обрабатываемость, одной жизнеспособной альтернативой пластику является POM (Delrin), который, как и алюминий, хорошо подходит для процесса механической обработки. POM имеет низкую температуру плавления, но впечатляюще высокую прочность для пластика.

POM является электрическим изолятором, что делает его пригодным для таких деталей, как электронные корпуса. Он также подходит для механических деталей. Однако, учитывая его радикально отличные изоляционные свойства по сравнению с алюминием, его следует использовать только в качестве замены аналога в ситуациях, когда тепловая и электрическая проводимость не имеют значения.

ПТФЭ (тефлон)

Лучше, чем алюминий для:

• Электроизоляция
• Очень низкое трение

Хуже, чем алюминий для:

• Сила

Как и ПОМ, ПТФЭ (тефлон) представляет собой хорошо поддающийся механической обработке термопласт, который является отличным электрическим изолятором. Однако, в отличие от POM, PTFE также устойчив к высоким температурам (до 260 °C), что делает его жизнеспособной альтернативой алюминию для высокотемпературных применений.

Высокая химическая стойкость ПТФЭ также делает его популярным материалом для обработки деталей, которые будут использоваться в пищевой промышленности.

ПИК

Лучше, чем алюминий для:

• Медицинское использование

Хуже, чем алюминий для:

• Обрабатываемость
• Стоимость

Хотя PEEK сложнее обрабатывать, чем два предыдущих термопласта, его высокая прочность и термическая стабильность (устойчивость к температурам до 260°C) делают его настоящей равноценной альтернативой алюминию. Популярность PEEK для таких деталей, как клапаны, подшипники, насосы и форсунки, свидетельствует о его металлических свойствах.

Один камень преткновения — цена. Будучи полимером с высокими эксплуатационными характеристиками, PEEK является одним из самых дорогих термопластов, поддающихся механической обработке, что делает его пригодным только для проектов механической обработки, в которых такие вездесущие материалы, как алюминий, непригодны для использования.

АБС

Лучше, чем алюминий для:

• Стойкость к тепловому удару

Хуже, чем алюминий для:

• Сила

ABS обычно используется в качестве материала для литья под давлением и, в последние годы, в качестве нити для 3D-печати. Но хотя ABS имеет очень мало общего с алюминием, он остается универсальным и легким материалом для обработки на станках с ЧПУ, обеспечивая ударную вязкость выше среднего.

Еще

Другие обрабатываемые пластики, большинство из которых сильно отличаются от алюминия, включают ПК, АБС+ПК, ПП, ПС, ПММА (акрил), PAGF30, PCGF30, DHPE, HDPE и PPS.

Альтернативные марки алюминия

Приложение	Алюминий	Альтернативный
Общее	6061	Мягкая сталь 1018
Аэрокосмическая промышленность	7075	Нержавеющая сталь 303
Морской	5083	Нержавеющая сталь 304 Нержавеющая сталь 316
Строительство	5083	Мягкая сталь A36
Еда	6061	ПТФЭ ПК

Сочетание обработки с ЧПУ с другими процессами

Если алюминий остается предпочтительным материалом для проекта, есть способы объединить обработку с ЧПУ с другими производственными процессами для создания более сложных и высокопроизводительных алюминиевых деталей. Это позволит максимально использовать функциональность алюминия и одновременно воспользоваться преимуществами нескольких производственных процессов.

Помимо того, что это универсальный производственный процесс, обработка с ЧПУ может использоваться для уточнения или модификации деталей, изготовленных с использованием другого оборудования. Процессы экструзии, литья и ковки могут быть дополнены процессом механической обработки для изготовления более качественных алюминиевых компонентов.

Экструзия алюминия + обработка на станках с ЧПУ

Экструзия — это процесс подачи расплавленного материала через отверстие в головке, в результате чего получается удлиненный компонент с непрерывным профилем. Хотя экструзия алюминия является эффективным способом производства функциональных компонентов с качественной обработкой поверхности и сложными поперечными сечениями, ее возможности ограничены, поскольку эти поперечные сечения должны быть одинаковыми для всей детали.

Если, конечно, деталь не доработана после выдавливания. Поскольку для экструзии алюминия обычно используются ковкие, пластичные и поддающиеся механической обработке сорта алюминия, такие как 6061 и 6063, экструдированные детали могут затем подвергаться последующей обработке — вырезанию различными способами с использованием обрабатывающего центра с ЧПУ.

Сочетание экструзии алюминия и обработки на станках с ЧПУ — отличный способ производить упругие детали со сложным поперечным сечением и неправильной геометрией.

Литье под давлением + обработка на станках с ЧПУ

Литье под давлением — это производственный процесс, при котором расплавленный металл вдавливается в полость формы под высоким давлением. Обычно он используется при изготовлении деталей в больших количествах, поскольку требуемые штампы из инструментальной стали дороги в производстве.

Наряду со сталью, магнием и цинком, алюминий является одним из наиболее популярных металлов для литья под давлением, а детали из литого под давлением алюминия обычно имеют превосходную чистоту поверхности и постоянство размеров.

Эти преимущества можно комбинировать с преимуществами обработки на станках с ЧПУ. Отливая алюминиевые компоненты под давлением, а затем добавляя дополнительные разрезы с помощью обрабатывающего центра, можно создавать детали с исключительной отделкой и более сложной геометрией, которые были бы возможны при использовании любого из этих процессов по отдельности.

Литье под давлением можно использовать вместо литья под давлением, если снижение затрат важнее, чем обеспечение высокой точности или создание тонких стенок.

Литье по выплавляемым моделям + обработка на станках с ЧПУ

Литье по выплавляемым моделям — это процесс литья металла, в котором для создания металлических деталей используются восковые модели. Как и другие процессы литья, он позволяет получать детали с превосходным качеством поверхности и высокой точностью размеров.

Этот процесс также дает уникальные преимущества:его можно использовать для создания более сложных деталей, чем это было бы возможно при литье под давлением, и детали получаются без линий разъема.

Алюминиевые сплавы — это распространенный материал, используемый для литья по выплавляемым моделям, а литые алюминиевые детали могут подвергаться последующей механической обработке для улучшения качества.

Ковка + ЧПУ

Многие алюминиевые сплавы, поддающиеся механической обработке, также подходят для старинного процесса ковки, который включает в себя формирование металла под действием силы сжатия. (Часто для этого нужно ударить по металлу молотком.)

Алюминий 6061, например, подходит для горячей штамповки в закрытом штампе — процесса, обычно используемого для производства автомобильных и промышленных компонентов.

Кованые детали из алюминия могут подвергаться последующей обработке на обрабатывающем центре с ЧПУ. Это может быть выгодно по сравнению с механической обработкой, поскольку кованые детали, как правило, прочнее, чем полностью литые или полностью обработанные эквиваленты. Однако постобработка позволяет создавать более сложные геометрические формы без полного нарушения целостности детали.

Чтобы узнать больше об обработке алюминия и других материалов на станках с ЧПУ, обратитесь в 3ERP <я>.